Введение к работе
Актуальность работы. Пространственно-временное поведение структурных параметров мезопаузы и нижней термосферы отображает приток энергии сверху вследствие поглощения ультрафиолетового излучения Солнца и снизу за счет волновых и крупномасштабных динамических процессов в нижней атмосфере. Это сложнее явление в свою очередь проявляется в характеристиках эмиссий этих областей атмосферы, среди которых наиболее информативным является гидроксильное излучение. Эта его особенность обусловлена тем, что оно обладает такими важными для исследования процессов з среде атмосферы параметрами как (1) вращательная температура, которая является индикатором температуры окружающей сре&ы ка высотах свечения гидроксила, (И) колебательная температура, характеризующая процессы образования возбужденных молекул ги-цроксила и их дезактивации, и (3) интенсивность - индикатор скоростей процессов преобразования энергии. В последнее зремя 5ыло обнаружено новое явление - неравновесная вращательная температура молекул гидроксила, соответствующая высоковозбужденным вращательным состояниям и отображающая вариации высотного распределения излучения. За последние десятилетия резко'возросла роль антропогенного влияния на атмосферу, верхняя часть (>80 км) которой особенно чувствительна к нему. Изменения з верхней атмосфере, обусловленные этим влиянием, также отражаются на характеристиках гидроксильной эмиссии. Однако до настоящего времени некоторые из них были мало исследованными, в частности, этносящиеся к распределениям молекул гидроксила по высоким вра-
щательным состояниям и по колебательным уровням. Это и представляет собой актуальную задачу.
Целью работы является исследование особенностей колебательно-вращательного распределения молекул гидроксила на высотах мезопаузы и характеристик атмосферы, влияющих на это распределение.
Достижение поставленной цели потребовало решение следующих ' задач:
-
Разработать и изготовить комплекс спектрографической аппаратуры, обеспечивающей регистрацию колебательно-вращательных спектров молекул гидроксила в ночном собственном свечении нерх-ней атмосферы в оптическом и ближнем ИК диапазонах.
-
Провести измерения излучения гидроксила в спектральной области 0,7 -1,1 мкм в течение нескольких лет.
-
Накопить с помощью проведенных измерений экспериментальные данные о характеристиках гидроксильного излучения с различных колебательных и вращательных уровней.
-
Проанализировать экспериментальный материал с точки зрения выявления природы колебательно-вращательного распределена молекул гидроксила и сопоставить его с некоторыми характеристиками мезопаузы.
-
Разработать фотохимическую модель колебательного возбуждения молекул гидроксила в области мезопаузы с учетом данньо собственных измерений интенсивностей излучения различных полек и сведений последних лабораторных исследований коэффициенте! скоростей реакций возбуждения и гашения различных колебательны] уровней.
Научная новизна и основные результаты работы состоят в следующем:
-
Обнаружен эффект неравновесности во вращательном распределении молекул гидроксила выше четвертого вращательного уровня. Исследованы его сезонные и суточные вариации.
-
Разработана фотохимическая модель колебательного возбуждения молекул гидроксила, позволяющая прогнозировать влияние отдельных факторов, характеризующих состав и состояние атмосферы, на спектральное распределение интенсивности излучения гидроксила.
-
На основании этой модели и данных о сезонных изменениг-.х колебательного распределения молекул гидроксила оценены-головые вариации высоты их излучающего слоя. <'
-
Анализ данных о температурном режиме мезопаузы. полученных в Звенигороде за последние 35 лет, указывает, что среднегодовая температура этой области атмосферы имеет тенденцию к ее понижению со скоростью -1 К/ГОД. '-:
-
Предложен и реализован способ определения содержания паров воды в атмосфере в ночное время по восстановлению интенсивности линии излучения молекул гидроксила с помощью измеряемого их вращательного распределения.
Практическая значимость. Результаты проведенных исследований могут быть использованы для уточнения механизмов возникновения гидроксильного излучения, а также при разработке и коррекции моделей собственного излучения верхних слоев атмосферы, необходимых .для учета фоновой ситуации при проведении оптических наблюдений со станций наземного и космического базирования.
Данные о поведении колебательной температуры излучающего
слоя гкдроксила могут служить индикатором его высоты.
Предложенный в работе метод определения содержания паров воды в атмосфере в ночное время может быть использован з службе контроля за влагосодержанием атмосферы.
. Личный вклад. Работа выполнялась в течение 1937-1993 г.г. в ходе проведения плановых работ Института физики атмосферы (ИФА) РАН. Автором разработаны и' при его непосредственном участии изготовлены регистрирующие устройства: с применением электронно-оптических преобразователей нового поколения к специальным светосильным спектрографам. Им проведены- комплексные спектрографические наблюдения на Кисловодском высокогорной и Звенигородской научных обсерваториях ИФА РАН. Автор принимал непосредственное участие в обработке, научном анализе и интерпретации полученных экспериментальных данных.
Апробация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в б печатных работах, а также докладывались и обсуждались :
на Всесоюзном симпозиуме "Геофизические аспекты переноса примесей в верхней атмосфере" (Обнинск, 1990), на Международном симпозиуме по проекту DYANA (Москва, 1991), на XVIII и XIX Международных совещаниях "Атмосферные исследования оптическими методами" (Тромсе, Норвегия, 1991; Кируна, Швеция, 1992),
на весеннем симпозиуме Американского Геофизического Союза, секция "Динамика и энергетика мезопаузы по исследованию ее собственного излучения" (Монреаль, Канада, 1992), на заседании Ученого совета ИФА РАН и на семинаре Отдела теории климата ИФА РАН.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,- трех глав, заключения и списка литературы (128 наименований). Она содержит 143 страницы машинописного текста, включая 32 рисунка и 9 таблиц.